JP2023517957A - Flow-through electrochemical cell electrode with penetrable membrane - Google Patents

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Abstract

本開示は、高気孔率金属電流コレクタと、金属電流コレクタを囲繞する活性材料と、活性材料を囲繞する自己支持型合成膜材料とを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルのための多孔質電極を提供する。本開示はさらに、複数の電気化学セルと、閉ループと、ポンプとを含む、フロースルー再充電可能バッテリを含む。金属電流コレクタは、金属発泡体を備える。金属電流コレクタは、織金網を備える。合成膜は、活性材料を完全にコーティングする。The present disclosure provides a porous membrane for flow-through rechargeable electrochemical cells comprising a high porosity metal current collector, an active material surrounding the metal current collector, and a self-supporting synthetic membrane material surrounding the active material. Provide electrodes. The present disclosure further includes a flow-through rechargeable battery that includes a plurality of electrochemical cells, a closed loop, and a pump. A metal current collector comprises a metal foam. A metal current collector comprises a woven wire mesh. The synthetic membrane completely coats the active material.

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる、以下の米国仮出願：２０２０年３月１２日に出願され、「ＦＬＯＷ－ＴＨＲＯＵＧＨ ＥＬＥＣＴＲＯＣＨＥＭＩＣＡＬ ＣＥＬＬ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＷＩＴＨ ＰＥＲＭＥＡＢＬＥ ＭＥＭＢＲＡＮＥ」と題された、米国仮出願第６２／８４９，６３２号の利益を主張する。 (Cross reference to related applications)
This application is hereby incorporated by reference in its entirety in the following U.S. Provisional Application: U.S. Provisional Application, filed on March 12, 2020, entitled "FLOW-THROUGH ELECTROCHEMICAL CELL ELECTRODE WITH PERMEABLE MEMBRANE." The benefit of application Ser. No. 62/849,632 is claimed.

（技術分野）
本開示は、概して、再充電可能電気化学セルに関し、特に、フロースルー電気化学セルのための電極に関する。 (Technical field)
FIELD OF THE DISCLOSURE The present disclosure relates generally to rechargeable electrochemical cells, and more particularly to electrodes for flow-through electrochemical cells.

（背景）
電気化学セルは、２つの電極（アノードおよびカソード）と、電解質とを有する。電極は、電子的に活性および化学的に活性の両方である、活性材料と称される材料を含む。アノードおよびカソード内の活性材料は、イオン、典型的には、電気化学セルの作業イオンと称されるカチオン（陽イオン）である、同一のイオンを獲得および損失することができる。電解質は、作業イオンを伝導させるが、電子絶縁体である。結果として、アノード活性材料とカソード活性材料との間の電子の任意の移動が、アノードおよびカソードの両方と電子的に接触している外部回路を通して生じなければならない。典型的には、アノード活性材料、カソード活性材料、または両方は、電気化学セルの循環に先立って、作業イオンを含有する。 (background)
An electrochemical cell has two electrodes (anode and cathode) and an electrolyte. Electrodes include materials that are both electronically and chemically active, referred to as active materials. The active materials in the anode and cathode are capable of gaining and losing the same ions, typically cations (positive ions), referred to as working ions in electrochemical cells. Electrolytes conduct working ions but are electronic insulators. As a result, any transfer of electrons between the anode active material and the cathode active material must occur through an external circuit that is in electronic contact with both the anode and cathode. Typically, the anode active material, the cathode active material, or both contain working ions prior to cycling in the electrochemical cell.

再充電可能電気化学セルまたは再充電可能バッテリは、典型的には、「リチウムイオンバッテリ」、「水素イオンバッテリ」等の識別につながる、その作業イオンに基づくタイプによって識別される。 Rechargeable electrochemical cells or rechargeable batteries are typically identified by a type based on their working ions, leading to identifications such as "lithium ion battery", "hydrogen ion battery", and the like.

循環の間に、電解質が、電気化学セルの内側で作業イオンを伝導させる一方、電子は、外部回路を通して移動する。電子は、放電の間に外部エネルギー入力を要求することなく流動する傾向があり、電気化学セル内に貯蔵されたエネルギーが、例えば、デバイスに給電することを可能にする。充電の間に、外部エネルギー供給部が、典型的には、作業イオンの流動を逆行させ、電気化学セル内のエネルギー供給部からのエネルギーを貯蔵して、電子を反対方向に流動させるために使用される。 During circulation, the electrolyte conducts working ions inside the electrochemical cell while electrons move through the external circuit. Electrons tend to flow during discharge without requiring external energy input, allowing the energy stored in the electrochemical cell to power a device, for example. During charging, an external energy supply typically reverses the flow of working ions and is used to store energy from the energy supply within the electrochemical cell and cause electrons to flow in the opposite direction. be done.

（要約）
本開示は、高気孔率金属電流コレクタと、金属電流コレクタを囲繞する活性材料と、活性材料を囲繞する自己支持型合成膜材料とを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルのための電極を提供する。 (wrap up)
The present disclosure provides electrodes for flow-through rechargeable electrochemical cells that include a high porosity metal current collector, an active material surrounding the metal current collector, and a self-supporting synthetic membrane material surrounding the active material. offer.

電極はさらに、明確に相互排他的ではない限り、任意の組み合わせで相互と、かつ本明細書に開示される他の特徴と組み合わせられ得る、以下の特徴を含んでもよい。 Electrodes may further include the following features, which may be combined with each other and with other features disclosed herein in any combination, unless expressly mutually exclusive.

ｉ．高気孔率金属電流コレクタは、金属発泡体であり得る。 i. A high porosity metal current collector can be a metal foam.

ｉｉ．高気孔率金属電流コレクタは、織金網であり得る。 ii. The high porosity metal current collector can be a woven wire mesh.

ｉｉｉ．合成膜は、活性材料を完全にコーティングし得る。 iii. A synthetic membrane can completely coat the active material.

ｉｖ．合成膜は、ポリマーを含み得る。 iv. Synthetic membranes can include polymers.

ｖ．合成膜は、ポリマー樹脂を含み得る。 v. Synthetic membranes can include polymeric resins.

ｖｉ．合成膜は、半結晶性ポリオレフィンを含み得る。 vi. A synthetic membrane may comprise a semi-crystalline polyolefin.

ｖｉｉ．合成膜は、ポリオキシメチレンを含み得る。 vii. Synthetic membranes may include polyoxymethylene.

ｖｉｉｉ．合成膜は、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）を含み得る。 viii. Synthetic membranes may comprise isotactic poly(4-methyl-1-pentene).

ｉｘ．合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含み得る。 ix. A synthetic membrane may comprise an ethylene propylene diene monomer rubber.

ｘ．合成膜は、ポリエチレンを含み得る。 x. Synthetic membranes may include polyethylene.

ｘｉ．合成膜は、ポリプロピレンを含み得る。 xi. Synthetic membranes may include polypropylene.

ｘｉｉ．合成膜は、グラフトポリマーを含み得る。 xii. A synthetic membrane may comprise a graft polymer.

ｘｉｉｉ．合成膜は、ポリエチレンから成り得る。 xiii. A synthetic membrane may consist of polyethylene.

ｘｉｖ．合成膜は、ポリプロピレンから成り得る。 xiv. The synthetic membrane can consist of polypropylene.

ｘｖ．合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含み得る。 xv. Synthetic membranes may include polyvinylidene fluoride.

ｘｖｉ．合成膜は、フッ素重合体エラストマを含み得る。 xvi. Synthetic membranes can include fluoropolymer elastomers.

ｘｖｉｉ．金属電流コレクタは、８０～９０％の気孔率を有し得る。 xvii. Metal current collectors may have a porosity of 80-90%.

ｘｖｉｉｉ．活性材料は、カソード活性材料であり得る。 xviii. The active material can be a cathode active material.

ｘｉｘ．活性材料は、アノード活性材料であり得る。 xix. The active material can be an anode active material.

本開示は、高気孔率金属電流コレクタと、金属電流コレクタを囲繞するカソード活性材料と、カソード活性材料を囲繞する自己支持型合成膜材料とを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルのためのカソードを提供する。 The present disclosure is for a flow-through rechargeable electrochemical cell comprising a high porosity metal current collector, a cathode active material surrounding the metal current collector, and a self-supporting synthetic membrane material surrounding the cathode active material. Provide a cathode.

電極はさらに、明確に相互排他的ではない限り、任意の組み合わせで相互と、かつ本明細書に開示される他の特徴と組み合わせられ得る、以下の特徴を含んでもよい。 Electrodes may further include the following features, which may be combined with each other and with other features disclosed herein in any combination, unless expressly mutually exclusive.

ｉ．高気孔率金属電流コレクタは、金属発泡体であり得る。 i. A high porosity metal current collector can be a metal foam.

ｉｉ．高気孔率金属電流コレクタは、織金網であり得る。 ii. The high porosity metal current collector can be a woven wire mesh.

ｉｉｉ．合成膜は、活性材料を完全にコーティングし得る。 iii. A synthetic membrane can completely coat the active material.

ｉｖ．合成膜は、ポリマーを含み得る。 iv. Synthetic membranes can include polymers.

ｖ．合成膜は、ポリマー樹脂を含み得る。 v. Synthetic membranes can include polymeric resins.

ｖｉ．合成膜は、半結晶性ポリオレフィンを含み得る。 vi. A synthetic membrane may comprise a semi-crystalline polyolefin.

ｖｉｉ．合成膜は、ポリオキシメチレンを含み得る。 vii. Synthetic membranes may include polyoxymethylene.

ｖｉｉｉ．合成膜は、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）を含み得る。 viii. Synthetic membranes may comprise isotactic poly(4-methyl-1-pentene).

ｉｘ．合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含み得る。 ix. A synthetic membrane may comprise an ethylene propylene diene monomer rubber.

ｘ．合成膜は、ポリエチレンを含み得る。 x. Synthetic membranes may include polyethylene.

ｘｉ．合成膜は、ポリプロピレンを含み得る。 xi. Synthetic membranes may include polypropylene.

ｘｉｉ．合成膜は、グラフトポリマーを含み得る。 xii. A synthetic membrane may comprise a graft polymer.

ｘｉｉｉ．合成膜は、ポリエチレンから成り得る。
ｘｉｖ．合成膜は、ポリプロピレンから成り得る。
ｘｖ．合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含み得る。 xiii. A synthetic membrane may consist of polyethylene.
xiv. The synthetic membrane can consist of polypropylene.
xv. Synthetic membranes may include polyvinylidene fluoride.

ｘｖｉ．合成膜は、フッ素重合体エラストマを含み得る。 xvi. Synthetic membranes can include fluoropolymer elastomers.

ｘｖｉｉ．金属電流コレクタは、８０～９０％の気孔率を有し得る。 xvii. Metal current collectors may have a porosity of 80-90%.

本開示は、高気孔率金属電流コレクタと、金属電流コレクタを囲繞する活性材料と、アノード活性材料を囲繞する自己支持型合成膜材料とを含む、フロースルー再充電可能電気化学セルのためのアノードを提供する。 The present disclosure provides an anode for a flow-through rechargeable electrochemical cell comprising a high porosity metal current collector, an active material surrounding the metal current collector, and a self-supporting synthetic membrane material surrounding the anode active material. I will provide a.

アノードはさらに、明確に相互排他的ではない限り、任意の組み合わせで相互と、かつ本明細書に開示される他の特徴と組み合わせられ得る、以下の特徴を含んでもよい。 The anode may further include the following features, which may be combined with each other and with other features disclosed herein in any combination, unless expressly mutually exclusive.

ｉ．高気孔率金属電流コレクタは、金属発泡体であり得る。 i. A high porosity metal current collector can be a metal foam.

ｉｉ．高気孔率金属電流コレクタは、織金網であり得る。 ii. The high porosity metal current collector can be a woven wire mesh.

ｉｉｉ．合成膜は、活性材料を完全にコーティングし得る。 iii. A synthetic membrane can completely coat the active material.

ｉｖ．合成膜は、ポリマーを含み得る。 iv. Synthetic membranes can include polymers.

ｖ．合成膜は、ポリマー樹脂を含み得る。 v. Synthetic membranes can include polymeric resins.

ｖｉ．合成膜は、半結晶性ポリオレフィンを含み得る。 vi. A synthetic membrane may comprise a semi-crystalline polyolefin.

ｖｉｉ．合成膜は、ポリオキシメチレンを含み得る。 vii. Synthetic membranes may include polyoxymethylene.

ｖｉｉｉ．合成膜は、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）を含み得る。 viii. Synthetic membranes may comprise isotactic poly(4-methyl-1-pentene).

ｉｘ．合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含み得る。 ix. A synthetic membrane may comprise an ethylene propylene diene monomer rubber.

ｘ．合成膜は、ポリエチレンを含み得る。 x. Synthetic membranes may include polyethylene.

ｘｉ．合成膜は、ポリプロピレンを含み得る。 xi. Synthetic membranes may include polypropylene.

ｘｉｉ．合成膜は、グラフトポリマーを含み得る。 xii. A synthetic membrane may comprise a graft polymer.

ｘｉｉｉ．合成膜は、ポリエチレンから成り得る。
ｘｉｖ．合成膜は、ポリプロピレンから成り得る。
ｘｖ．合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含み得る。 xiii. A synthetic membrane may consist of polyethylene.
xiv. The synthetic membrane can consist of polypropylene.
xv. Synthetic membranes may include polyvinylidene fluoride.

ｘｖｉ．合成膜は、フッ素重合体エラストマを含み得る。 xvi. Synthetic membranes can include fluoropolymer elastomers.

ｘｖｉｉ．金属電流コレクタは、８０～９０％の気孔率を有し得る。 xvii. Metal current collectors may have a porosity of 80-90%.

本開示の実施形態が、必ずしも一定の縮尺ではない添付図を参照して、さらに詳細に一例として説明される。
図１Ａは、放電の間のフロースルー再充電可能電気化学セルの断面概略図である。 Embodiments of the present disclosure are described in further detail, by way of example, with reference to the accompanying drawings, which are not necessarily to scale.
FIG. 1A is a cross-sectional schematic diagram of a flow-through rechargeable electrochemical cell during discharge.

図１Ｂは、充電の間の図１Ａのフロースルー再充電可能電気化学セルの断面概略図である。FIG. 1B is a cross-sectional schematic view of the flow-through rechargeable electrochemical cell of FIG. 1A during charging.

図２Ａは、織金網電極のワイヤの断面概略図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of a wire of a woven wire mesh electrode.

図２Ｂは、膨張後の織金網電極のワイヤの断面概略図である。FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of the wire of the woven wire mesh electrode after expansion.

（詳細な説明）
本開示は、再充電可能電気化学セルのための貫通可能膜を伴う電極に関する。 (detailed explanation)
The present disclosure relates to electrodes with penetrable membranes for rechargeable electrochemical cells.

再充電可能電気化学セルは、少なくとも１つの充電／放電サイクルを受け得る、デバイスである。用語「バッテリ」および「電気化学セル」は、時として、同義的に使用される、または異なる文脈で特定の意味を与えられる。用語「電気化学セル」は、１つのアノードと、１つのカソードと、電解質とを含む、デバイスを説明するために本開示で使用される。用語「バッテリ」は、複数の電気化学セルを含有するデバイスを説明するために本開示で使用される。 A rechargeable electrochemical cell is a device that can undergo at least one charge/discharge cycle. The terms "battery" and "electrochemical cell" are sometimes used synonymously or given specific meanings in different contexts. The term "electrochemical cell" is used in this disclosure to describe a device that includes one anode, one cathode, and an electrolyte. The term "battery" is used in this disclosure to describe a device containing multiple electrochemical cells.

本開示の電気化学セルは、多孔質カソードおよびアノードと、流体流を可能にするセパレータと、電気化学セルを通して流体電解質を循環させるためのポンプとを有してもよい。作業イオンは、リチウムイオン（Ｌｉ＋）、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）、またはカリウムイオン（Ｋ＋）等のアルカリ金属イオン、水素イオン（Ｈ＋）、もしくはヒドロキシルイオン（ＯＨ－）であってもよい。 Electrochemical cells of the present disclosure may have porous cathodes and anodes, separators to allow fluid flow, and pumps to circulate fluid electrolytes through the electrochemical cells. The working ions may be alkali metal ions such as lithium ions (Li + ), sodium ions (Na + ), or potassium ions (K + ), hydrogen ions (H + ), or hydroxyl ions (OH − ). .

ここで図１Ａおよび１Ｂを参照すると、電気化学セル１００は、コンテナ１１０に収納される、カソード１０２と、アノード１０４と、電解質１０６と、電子的絶縁セパレータ１０８とを含む。カソード１０２およびアノード１０４を通して電解質１０６の流動を促進するために、コンテナ１１０は、ポンプ１１２を含む、閉ループ１１４に流体的に接続される。 Referring now to FIGS. 1A and 1B, electrochemical cell 100 includes cathode 102 , anode 104 , electrolyte 106 , and electronically insulating separator 108 housed in container 110 . To facilitate the flow of electrolyte 106 through cathode 102 and anode 104 , container 110 is fluidly connected to closed loop 114 , which includes pump 112 .

図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、電気化学セルは、電極およびセパレータ１０８が、外部回路１３６を通す以外に、アノード１０４とカソード１０２との間の電子接触を防止することに役立つために、セパレータ１０８が、アノード１０４とカソード１０２との間に位置するスタックに配列されるように、構成される。閉ループ１１４は、流体電解質が、閉ループ１１４からコンテナ１１０に進入し、アノード１０４、セパレータ１０８、およびカソード１０２のスタックを通して流動し、次いで、コンテナ１１０から出て閉ループ１１４に再進入するように、コンテナ１１０に接続される。図１Ａおよび１Ｂに図示されるように、閉ループ１１４は、スタックの反対側でコンテナ１１０に接続されるが、他の構成も、流体がスタックを通して流動する限り可能である。 As illustrated in FIGS. 1A and 1B, the electrochemical cell is designed so that the electrodes and separator 108 help prevent electronic contact between the anode 104 and the cathode 102, other than through an external circuit 136. A separator 108 is configured to be arranged in a stack positioned between the anode 104 and the cathode 102 . The closed loop 114 is configured such that the fluid electrolyte enters the container 110 from the closed loop 114 , flows through the stack of anodes 104 , separators 108 and cathodes 102 , then exits the container 110 and re-enters the closed loop 114 . connected to As illustrated in FIGS. 1A and 1B, closed loop 114 connects to container 110 on the opposite side of the stack, although other configurations are possible as long as the fluid flows through the stack.

図１Ａおよび１Ｂに図示される電気化学セル１００は、セパレータ１０８を含有するが、代替電気化学セルには、セパレータが欠如し得る。例えば、カソード１０２およびアノード１０４は、それらが電子的に接触しないように、電気化学セル１００内のコンテナ１１０または別の非セパレータ構造への取付によって定位置で保持されてもよい。セパレータが欠けている、そのような構成は、セパレータによって遮断される樹枝状結晶の形成に起因して、多くの従来の電気化学セルでは機能しない場合があるが、電気化学セル１００を通した流体電解質の流動は、フロースルーセルではなく、セパレータを不必要にする、類似電気化学セルと比較して、樹枝状結晶形成を防止または実質的に減少させ得る。 Although electrochemical cell 100 illustrated in FIGS. 1A and 1B contains separator 108, alternative electrochemical cells may lack a separator. For example, cathode 102 and anode 104 may be held in place by attachment to container 110 or another non-separator structure within electrochemical cell 100 so that they are not in electronic contact. Lacking a separator, such configurations may not work in many conventional electrochemical cells due to the formation of dendrites blocked by the separator, but fluid flow through the electrochemical cell 100 Electrolyte flow can prevent or substantially reduce dendrite formation compared to analogous electrochemical cells, which obviate the need for a separator rather than a flow-through cell.

電気化学セル１００が、円筒形コンテナ１００とともに図示されるが、直方体、立方体、または貨幣形等の他のコンテナ形状も、可能である。コンテナ１００は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能である、任意の好適な材料を含んでもよい。好適な材料はまた、充電および放電の間に、または電気化学セル１００の予想寿命にわたって、電気化学セル１００の形状を維持することも可能であり得る。好適な材料は、鋼鉄、ガラス、瀝青化合物、セラミック材料、およびポリマーを含む。コンテナ１１０は、例えば、分解耐性内層またはコーティングを伴う金属外層等の複数の材料を含んでもよい。 Although the electrochemical cell 100 is illustrated with a cylindrical container 100, other container shapes such as rectangular, cubic, or coin-shaped are also possible. Container 100 is any suitable material capable of resisting decomposition by fluid electrolytes or other chemicals found within electrochemical cell 100 , including chemicals formed during cycling of electrochemical cell 100 . may contain materials. Suitable materials may also be capable of maintaining the shape of electrochemical cell 100 during charging and discharging or over the expected life of electrochemical cell 100 . Suitable materials include steel, glass, bituminous compounds, ceramic materials, and polymers. Container 110 may include multiple materials such as, for example, a degradation resistant inner layer or a metal outer layer with a coating.

閉ループ１１４は、コンテナ１００と同一の材料または異なる材料を含んでもよい。閉ループ１１４は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能である、任意の好適な材料を含んでもよい。好適な材料はまた、電気化学セル１００の予想寿命にわたって圧潰を伴わずに断面形状等の形状を維持することも可能であり得る。好適な材料は、鋼鉄、ガラス、瀝青化合物、セラミック材料、およびポリマーを含む。閉ループ１１４は、例えば、分解耐性内層を伴う金属外層等の複数の材料を含んでもよい。閉ループ１１４は、可撓性または剛直性であり得る。 Closed loop 114 may comprise the same material as container 100 or a different material. Closed loop 114 is any suitable material capable of resisting degradation by fluid electrolytes or other chemicals found within electrochemical cell 100 , including chemicals formed during cycling of electrochemical cell 100 . may contain materials. Suitable materials may also be able to maintain a shape, such as a cross-sectional shape, over the expected life of the electrochemical cell 100 without collapse. Suitable materials include steel, glass, bituminous compounds, ceramic materials, and polymers. Closed loop 114 may include multiple materials, such as, for example, a metallic outer layer with a degradation resistant inner layer. Closed loop 114 may be flexible or rigid.

閉ループ１１４内のポンプ１１２は、閉ループ１１４およびコンテナ１１０内の電極を通して流体電解質１０６を流動させるため、かつ充電の間に１つの方向および放電の間に反対方向に流動を引き起こすように可逆的にさせるために十分な任意のポンプであってもよい。ポンプ１１２は、図示されるような容積式ポンプ、蠕動ポンプ、回転翼型ポンプ、またはプログレッシブキャビティポンプであってもよい。ポンプ１１２は、図示されるように、閉ループ１１４の流体流通路内に位置してもよい、または蠕動ポンプ等の外部ポンプであってもよい。ポンプ１１２は、固定流率または可変流率において動作してもよい。 The pump 112 within the closed loop 114 is reversible to cause the fluid electrolyte 106 to flow through the electrodes within the closed loop 114 and container 110 and in one direction during charging and in the opposite direction during discharging. Any pump sufficient for Pump 112 may be a positive displacement, peristaltic, rotary vane, or progressive cavity pump as shown. Pump 112 may be located within the fluid flow path of closed loop 114, as shown, or may be an external pump, such as a peristaltic pump. Pump 112 may operate at a fixed flow rate or a variable flow rate.

閉ループ１１４内の流率が、電極を通した線形流率または電極を通した体積流率として、測定されてもよい。理論的線形流率が、２つの電極の間で異なる場合、より低い線形流率が、電極を通した実際の線形流率を決定付けるであろう。線形流率は、ポンプ１１２、および流体電解質１０６への電極ならびにセパレータ（存在する場合）の透過性等のいくつかの要因によって決定付けられ得る。一般に、蠕動ポンプまたは回転翼型ポンプは、中程度の電力要件を伴って低いまたは中程度の流率を提供することができる。プログレッシブキャビティポンプは、より高い電力要件を伴ってより高い流率を提供することができる。それらのより高い電力要件に起因して、プログレッシブパワーポンプは、グリッド貯蔵および他の電気公共事業用途内等の大型定常バッテリ内または船用バッテリ内のフロースルー電気化学セルで使用するためにより好適であり得る。 The flow rate within the closed loop 114 may be measured as a linear flow rate through the electrodes or as a volumetric flow rate through the electrodes. If the theoretical linear flow rate is different between the two electrodes, the lower linear flow rate will dictate the actual linear flow rate through the electrodes. The linear flow rate may be determined by several factors such as pump 112 and the permeability of the electrodes and separator (if present) to the fluid electrolyte 106 . In general, peristaltic or rotary vane pumps can provide low or moderate flow rates with moderate power requirements. Progressive cavity pumps can provide higher flow rates with higher power requirements. Due to their higher power requirements, progressive power pumps are more suitable for use in flow-through electrochemical cells in large stationary batteries, such as in grid storage and other electric utility applications, or in marine batteries. obtain.

ポンプ１１２は、電気化学セル１００の充電、放電、または両方の間に、外部電力供給源によって給電されてもよい。特に、ポンプ１１２は、充電の間に充電器１４４等の同一の外部エネルギー供給部によって給電されてもよい。ポンプ１１２は、放電の間に電気化学セル１００自体によって給電されてもよい。ポンプ１１２は、特に、閉ループ１１４内にある場合、電気化学セル１００が外部回路１３６を通した場合を除いて放電することができないように、電子的絶縁構成要素を含んでもよい。ポンプ１１２はまた、電解質の短い区分を物理的に単離し、それによって、閉ループ１１４に沿った可能性として考えられる電子回路を物理的に妨害する、蠕動ポンプ等の容積型ポンプであってもよい。ポンプ１１２が、閉ループ１１４の流体流通路内に位置する場合、ポンプ１１２は、電気化学セル１００の循環の間に形成される化学物質を含む、電気化学セル１００内で見出される流体電解質または他の化学物質による分解に抵抗することが可能な材料を含む、もしくはそれでコーティングされてもよい。 Pump 112 may be powered by an external power supply during charging, discharging, or both of electrochemical cell 100 . In particular, pump 112 may be powered by the same external energy supply, such as charger 144, during charging. Pump 112 may be powered by electrochemical cell 100 itself during discharge. Pump 112 may include electronic isolation components such that, particularly when in closed loop 114 , electrochemical cell 100 cannot be discharged except through external circuit 136 . Pump 112 may also be a positive displacement pump, such as a peristaltic pump, that physically isolates a short section of electrolyte, thereby physically interfering with possible electronic circuits along closed loop 114. . When the pump 112 is located within the fluid flow path of the closed loop 114, the pump 112 pumps fluid electrolytes or other fluids found within the electrochemical cell 100, including chemicals formed during circulation of the electrochemical cell 100. It may contain or be coated with a material capable of resisting degradation by chemicals.

図１Ａ、１Ｂは、単一のポンプ１１２を伴って図示されるが、複数のポンプが、存在し得る。例えば、複数の電気化学セルを含有するバッテリは、特に、多数の電気化学セルが存在する、または各セルの透過性が高くない場合、流体電解質の流動を維持するように、電気化学セルもしくは電気化学セルのセットの間にポンプを含有してもよい。複数のポンプ１１２が、それらが同期したままであることに役立つように１つのモータによって、または複数のモータによって駆動されてもよい。 Although FIGS. 1A, 1B are illustrated with a single pump 112, multiple pumps may be present. For example, a battery containing a plurality of electrochemical cells, particularly if there are a large number of electrochemical cells or if each cell is not highly permeable, the electrochemical cells or the electrical Pumps may be included between sets of chemical cells. Multiple pumps 112 may be driven by one motor or by multiple motors to help them remain synchronized.

セパレータ１０８は、膜を通して作業イオンの通過および流体電解質１０６の流動を可能にする、透過性膜であってもよい。セパレータ１０８は、織繊維、不織繊維、ポリマーフィルム、セラミック、および自然発生物質を含んでもよい。不織繊維は、綿、ナイロン、ポリエステル繊維、紙、およびガラス繊維を含んでもよい。ポリエステルフィルムは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（エチレンテレフタレート）、およびポリ塩化ビニルフィルムを含んでもよい。自然発生物質は、ゴム、アスベスト、および木材を含んでもよい。セパレータ１０８は、厚さ１０μｍ～５，０００μｍ、厚さ１０μｍ～１，０００μｍ、厚さ１０μｍ～５００μｍ、厚さ１０μｍ～１００μｍ、または厚さ２０μｍ～７０μｍであってもよく、より薄いセパレータが、多くの電気化学セル１００で最も有用である。 Separator 108 may be a permeable membrane that allows the passage of working ions and the flow of fluid electrolyte 106 through the membrane. Separator 108 may include woven fibers, non-woven fibers, polymeric films, ceramics, and naturally occurring materials. Nonwoven fibers may include cotton, nylon, polyester fibers, paper, and glass fibers. Polyester films may include polyethylene, polypropylene, poly(tetrafluoroethylene), poly(ethylene terephthalate), and polyvinyl chloride films. Naturally occurring materials may include rubber, asbestos, and wood. Separator 108 may be 10 μm to 5,000 μm thick, 10 μm to 1,000 μm thick, 10 μm to 500 μm thick, 10 μm to 100 μm thick, or 20 μm to 70 μm thick, with thinner separators often being preferred. is most useful in the electrochemical cell 100 of

カソード１０２は、多孔質カソードであってもよい。カソード１０２は、流体電解質に対して透過性である、金属発泡体等のカソード高気孔率金属電流コレクタを含んでもよい。カソード高気孔率金属電流コレクタは、電子伝導体であり、カソード活性材料と外部電子回路との間で流動するために、電子のための経路を提供する。カソード高気孔率金属電流コレクタはまた、概して、カソード活性材料のための機械的支持を提供する。好適な高気孔率金属発泡体は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＡｌ発泡体を含む。カソード高気孔率金属電流コレクタの気孔率は、４０％～９０％または４０％～９９％等、４０％を上回り得る。特に、気孔率は、８０％～９０％であってもよい。多孔性質はまた、流体電解質１０６がカソード１０２を通して流動することも可能にする。 Cathode 102 may be a porous cathode. Cathode 102 may comprise a cathode high porosity metal current collector, such as a metal foam, that is permeable to the fluid electrolyte. The cathode high porosity metal current collector is an electronic conductor and provides a pathway for electrons to flow between the cathode active material and the external electronic circuitry. Cathode high porosity metal current collectors also generally provide mechanical support for the cathode active material. Suitable high porosity metal foams include Ni, Fe, Cu, and Al foams. The porosity of the cathode high porosity metal current collector can be greater than 40%, such as 40% to 90% or 40% to 99%. In particular, the porosity may be between 80% and 90%. The porous nature also allows fluid electrolyte 106 to flow through cathode 102 .

カソード高気孔率金属電流コレクタは、カソード活性材料でコーティングされてもよい。特に、カソード高気孔率金属電流コレクタの細孔表面が、カソード活性材料でコーティングされてもよい。カソード活性材料でコーティングした後、カソード１０２は、依然として、５％～５０％、１０％～５０％、および２０％～５０％等の少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％の気孔率、もしくは設定された線形または体積流率において流体電解質１０６の流動を可能にするために十分な気孔率を維持し得る。 The cathode high porosity metal current collector may be coated with a cathode active material. In particular, the pore surfaces of the cathode high porosity metal current collector may be coated with the cathode active material. After coating with the cathode active material, the cathode 102 still has a porosity of at least 5%, at least 10%, or at least 20%, such as 5%-50%, 10%-50%, and 20%-50%; Alternatively, it may maintain sufficient porosity to allow fluid electrolyte 106 to flow at a set linear or volumetric flow rate.

カソード活性材料は、カソード活性材料の周囲に貫通可能合成膜を形成するために、合成膜材料でコーティングされてもよい。貫通可能合成膜は、カソード活性材料に対して構造的支持を提供し得る。貫通可能合成膜は、カソード高気孔率金属電流コレクタ上に、定位置でカソード活性材料を保持することによって、カソード活性材料の分解を阻止し得る。例示的膜材料、膜を形成する方法、および膜構造が、下記により詳細に議論される。 The cathode active material may be coated with a synthetic membrane material to form a penetrable synthetic membrane around the cathode active material. A penetrable synthetic membrane can provide structural support for the cathode active material. The penetrable synthetic membrane can prevent decomposition of the cathode active material by holding it in place on the cathode high porosity metal current collector. Exemplary membrane materials, methods of forming membranes, and membrane structures are discussed in more detail below.

アノード１０４は、多孔質アノードであってもよい。例えば、アノード１０４は、流体電解質に対して透過性である、高気孔率金属発泡体等のアノード高気孔率金属電流コレクタを含んでもよい。アノード高気孔率金属電流コレクタは、電子伝導体であり、アノード活性材料と外部電子回路との間で流動するために、電子のための経路を提供する。アノード高気孔率金属電流コレクタはまた、概して、アノード活性材料のための機械的支持を提供する。好適な高気孔率金属発泡体は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、およびＡｌ発泡体を含む。アノード高気孔率金属電流コレクタの気孔率は、４０％～９０％または４０％～９９％等、４０％を上回り得る。特に、気孔率は、８０％～９０％であってもよい。多孔性質はまた、流体電解質１０６がアノード１０４を通して流動することも可能にする。 Anode 104 may be a porous anode. For example, anode 104 may comprise an anode high porosity metal current collector, such as a high porosity metal foam, that is permeable to the fluid electrolyte. The anode high porosity metal current collector is an electronic conductor and provides a pathway for electrons to flow between the anode active material and the external electronic circuitry. Anode high porosity metal current collectors also generally provide mechanical support for the anode active material. Suitable high porosity metal foams include Ni, Fe, Cu, and Al foams. The porosity of the anode high porosity metal current collector can be greater than 40%, such as 40% to 90% or 40% to 99%. In particular, the porosity may be between 80% and 90%. The porous nature also allows fluid electrolyte 106 to flow through anode 104 .

アノード高気孔率金属電流コレクタは、アノード活性材料でコーティングされてもよい。特に、アノード高気孔率金属電流コレクタの細孔表面が、アノード活性材料でコーティングされてもよい。アノード活性材料でコーティングした後、アノード１０４は、依然として、５％～５０％、１０％～５０％、および２０％～５０％等の少なくとも５％、少なくとも１０％、または少なくとも２０％の気孔率、もしくは設定された線形または体積流率において流体電解質１０６の流動を可能にするために十分な気孔率を維持し得る。 The anode high porosity metal current collector may be coated with an anode active material. In particular, the pore surfaces of the anode high porosity metal current collector may be coated with the anode active material. After coating with the anode active material, the anode 104 still has a porosity of at least 5%, at least 10%, or at least 20%, such as 5%-50%, 10%-50%, and 20%-50%; Alternatively, it may maintain sufficient porosity to allow fluid electrolyte 106 to flow at a set linear or volumetric flow rate.

アノード活性材料は、アノード活性材料の周囲に貫通可能合成膜を形成するために、合成膜材料でコーティングされてもよい。貫通可能合成膜は、アノード活性材料に対して構造的支持を提供し得る。貫通可能合成膜は、アノード高気孔率金属電流コレクタ上に、定位置でアノード活性材料を保持することによって、アノード活性材料の分解を阻止し得る。例示的膜材料、膜を形成する方法、および膜構造が、下記により詳細に議論される。 The anode active material may be coated with a synthetic membrane material to form a penetrable synthetic membrane around the anode active material. A penetrable synthetic membrane can provide structural support for the anode active material. The penetrable synthetic membrane may prevent decomposition of the anode active material by holding it in place on the anode high porosity metal current collector. Exemplary membrane materials, methods of forming membranes, and membrane structures are discussed in more detail below.

従来の電気化学セルおよびバッテリでは、カソードおよびアノード、特に、電気化学セル循環の間のカソードおよびアノード活性材料の膨張ならびに物理的歪曲が、電気化学セルに存在する、活性材料および他の電子伝導性材料の間の断絶等の電気化学セルへの物理的損傷を引き起こし得る。体積の変更はまた、電極自体の歪曲、ならびに電極から離れて落下し得る、ばらばらの粉末への活性材料の分解を結果としてもたらし得る。これは、複数のサイクルにわたって性能低下を引き起こす。例えば、電気化学セルは、複数のサイクルにわたって容量の減少を被り得る。 In conventional electrochemical cells and batteries, the expansion and physical distortion of the cathode and anode, particularly the cathode and anode active materials during electrochemical cell cycling, affects the active materials and other electronic conductivity present in the electrochemical cell. It can cause physical damage to the electrochemical cell, such as discontinuities between materials. A change in volume can also result in distortion of the electrode itself, as well as decomposition of the active material into loose powders that can fall away from the electrode. This causes performance degradation over multiple cycles. For example, an electrochemical cell may experience a decrease in capacity over multiple cycles.

一般に、活性材料の体積を最大限にすることによって、セルのエネルギー密度を最大限にし、電極の単位体積あたりの可動イオンの最大量を吸収または解放するように、材料を設計することもまた、望ましい。活性材料の体積の膨張および収縮は、著しくあり得、最小５％から最高５０％までに及び得る。現在の先行技術において、いくつかのリチウムイオンセル内で使用されるような、シリコンアノード材料は、例えば、非常に高い体積の変更を有し、複数のサイクルにわたって性能低下を被る。 In general, maximizing the energy density of the cell by maximizing the volume of active material and designing the material to absorb or release the maximum amount of mobile ions per unit volume of electrode is also desirable. Volume expansion and contraction of the active material can be significant, ranging from a minimum of 5% to a maximum of 50%. In the current prior art, for example, silicon anode materials, such as those used in some lithium-ion cells, have very high volumetric changes and suffer performance degradation over multiple cycles.

図１Ａは、活性材料がアルカリ金属イオン活性材料であるときの放電の間の電気化学セル１００を図示する。流体電解質１０６は、方向１２０に回転する容積式ポンプ１１２によって、方向１１８に圧送される。電子が、電気化学セル１００によって給電されているデバイス等の電気負荷１３８を通して、外部回路１３６に沿って方向１２２に伝導される。作業イオン、本実施例ではリチウムイオンが、アノード１０４とカソード１０２との間で方向１２４に伝導される。アノード１０４内の電気化学反応が、アノード活性材料からリチウムイオンを解放する一方、カソード１０２内の電気化学反応は、カソード活性材料内のリチウムイオンを捕捉する。 FIG. 1A illustrates electrochemical cell 100 during discharge when the active material is an alkali metal ion active material. Fluid electrolyte 106 is pumped in direction 118 by positive displacement pump 112 rotating in direction 120 . Electrons are conducted in direction 122 along external circuit 136 through electrical load 138 , such as a device powered by electrochemical cell 100 . Working ions, in this example lithium ions, are conducted in direction 124 between anode 104 and cathode 102 . Electrochemical reactions within anode 104 release lithium ions from the anode active material, while electrochemical reactions within cathode 102 capture lithium ions within the cathode active material.

図１Ｂは、活性材料がアルカリ金属イオン活性材料であるときの充電の間の電気化学セル１００を図示する。流体電解質１０６は、方向１２６に回転する容積式ポンプ１１２によって、反対方向１１８である方向１２８に圧送される。電子が、外部電源に接続され得る充電器１４４を通して外部回路１３６に沿って方向１３０に伝導される。作業イオン、本実施例ではリチウムイオンが、アノード１０４とカソード１０２との間で、反対方向１２４である方向１３４に伝導される。カソード１０２内の電気化学反応が、カソード活性材料からリチウムイオンを解放する一方、アノード１０４内の電気化学反応は、アノード活性材料内のリチウムイオンを捕捉する。 FIG. 1B illustrates electrochemical cell 100 during charging when the active material is an alkali metal ion active material. Fluid electrolyte 106 is pumped in opposite direction 118 , direction 128 , by positive displacement pump 112 rotating in direction 126 . Electrons are conducted in direction 130 along external circuit 136 through charger 144, which may be connected to an external power source. Working ions, in this example lithium ions, are conducted between anode 104 and cathode 102 in direction 134 , which is opposite direction 124 . An electrochemical reaction within cathode 102 releases lithium ions from the cathode active material, while an electrochemical reaction within anode 104 captures lithium ions within the anode active material.

方向１２４にもあるアノード１０４およびカソード１０２を通した流体電解質１０６の流動、または方向１３４にもあるカソード１０２およびアノード１０４を通した流体電解質１０６の流動は、アノード１０４、カソード１０２、または典型的には両方の中の作業イオンの有効イオン移動度を拡大し、より高い率における流動が、さらなる影響を及ぼす。一方または両方の電極内のより高い作業イオン移動度が、充電、放電、または典型的には両方の間に、電解質における抵抗損を低減させ得る。 The flow of fluid electrolyte 106 through anode 104 and cathode 102 also in direction 124, or the flow of fluid electrolyte 106 through cathode 102 and anode 104 also in direction 134, is controlled by anode 104, cathode 102, or typically expands the effective ionic mobility of working ions in both, and flux at higher rates has an additional effect. Higher working ion mobility in one or both electrodes can reduce ohmic losses in the electrolyte during charge, discharge, or typically both.

（貫通可能合成膜）
活性材料は、貫通可能合成膜によって被着されてもよい。膜は、膜材料から作製されてもよい。膜は、活性材料の表面全体に被着し得る。膜は、機械的に強力であるが、電極と電解質との間のイオンの自由な伝導を可能にし得る。このタイプの膜もまた、「半貫通可能」として説明され、ある規定されたイオン種のみが、膜材料を横断することができることを意味し得る。例えば、いくつかの膜は、水素イオン（すなわち、陽子）が通過することを可能にし得るが、ヒドロキシルイオンは通過することができない。膜は、セパレータ内で使用するための当該技術において公知であるものと同一のタイプおよび厚さから作製されてもよい。 (penetrable synthetic membrane)
The active material may be covered by a penetrable synthetic membrane. The membrane may be made from a membrane material. A film may be deposited over the entire surface of the active material. The membrane is mechanically strong, but can allow free conduction of ions between the electrode and the electrolyte. This type of membrane can also be described as "semi-permeable", meaning that only certain defined ionic species can cross the membrane material. For example, some membranes may allow hydrogen ions (ie, protons) to pass through, but not hydroxyl ions. The membranes may be made of the same types and thicknesses known in the art for use in separators.

膜は、「自己支持型」であってもよい。自己支持型膜は、活性材料のための支持を提供する、膜である。自己支持型膜は、活性材料が、充電または放電中に膨張または収縮するときでさえ、活性材料との接触を維持する。自己支持型膜は、活性材料とともに、膨張および収縮し得る。 The membrane may be "self-supporting." A self-supporting membrane is a membrane that provides support for the active material. The self-supporting membrane maintains contact with the active material even when the active material expands or contracts during charging or discharging. A self-supporting membrane can expand and contract with the active material.

膜は、液体溶剤中で膜材料を溶解し、結果として、電極を含侵させ得る、低粘度液体をもたらすことによって、活性材料上に形成されてもよい。溶剤は、次いで、乾燥および加熱することによって除去され、活性材料上に膜材料を堆積し、膜を形成し得る。溶液中の膜材料の濃度は、膜の最終的な厚さを判定するために使用され得る。厚さは、０．０１～１０ミクロンの範囲内であってもよい。 A membrane may be formed on the active material by dissolving the membrane material in a liquid solvent, resulting in a low viscosity liquid that can impregnate the electrodes. The solvent can then be removed by drying and heating to deposit the film material on the active material to form a film. The concentration of membrane material in solution can be used to determine the final thickness of the membrane. The thickness may be in the range of 0.01-10 microns.

膜材料は、ポリマー樹脂であってもよい。ポリマー樹脂は、それらが、重合後も、可撓性および弾力性を維持するため、使用される。例示的ポリマー樹脂は、限定ではないが、半結晶性ポリオレフィンと、ポリオキシメチレンと、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）とを含み得る。ポリエチレン－ポリプロピレン、ポリスチレン－ポリプロピレン、ポリ（エチレンテレフタレート）－ポリプロピレン混成体、および超高分子量ポリエチレン等、その中で、少なくとも１つのポリマーが結晶構造を有する、非相溶性ポリマーの混成体もまた、使用されてもよい。 The membrane material may be a polymer resin. Polymer resins are used because they remain flexible and resilient after polymerization. Exemplary polymer resins can include, but are not limited to, semicrystalline polyolefins, polyoxymethylene, and isotactic poly(4-methyl-1-pentene). Hybrids of incompatible polymers in which at least one polymer has a crystalline structure are also used, such as polyethylene-polypropylene, polystyrene-polypropylene, poly(ethylene terephthalate)-polypropylene hybrids, and ultra-high molecular weight polyethylene. may be

ポリマー樹脂は、湿式法を使用して、活性材料上に堆積されてもよい。湿式法は、混合、加熱、含侵、および添加剤除去のステップを含む。ポリマー樹脂は、最初に、パラフィンオイル、酸化防止剤、および代用粉末等の他の添加剤と混合され得る。混合物は、次いで、加熱され、均質な溶液を生産し得る。加熱された溶液は、電極の空孔内に噴射され、活性材料をコーティングするゲル状のフィルムを作製し、次いで、乾燥および硬化され得る。真空含侵法もまた、完全なコーティングを阻止し得る、電極の空孔内のエアポケットの可能性を排除するために使用されてもよい。代用添加剤は、次いで、揮発性溶剤を用いて除去され、微孔性フィルムコーティングを形成し得る。 The polymer resin may be deposited onto the active material using wet methods. Wet methods include steps of mixing, heating, impregnation, and additive removal. The polymer resin may first be mixed with other additives such as paraffin oil, antioxidants, and substitute powders. The mixture can then be heated to produce a homogeneous solution. The heated solution is jetted into the pores of the electrode to create a gel-like film that coats the active material, which can then be dried and cured. Vacuum impregnation methods may also be used to eliminate the possibility of air pockets within the electrode cavities that can prevent complete coating. The surrogate additive can then be removed using a volatile solvent to form a microporous film coating.

湿式法はまた、結晶性および非結晶性ポリマーの両方に対して好適であり得る。いくつかのポリマーは、それらが熱くなりすぎるとき、セル動作を停止する等の好都合な機械的性質を膜上に付与し得る。膜材料としての使用に適切なポリマーは、半結晶性構造を伴うポリオレフィンベースの材料を含み得る。半結晶性構造を伴うポリオレフィン材料は、限定ではないが、ポリエチレンと、ポリプロピレンと、ポリエチレン－ポリプロピレン等のその混成体とを含み得る。 Wet methods can also be suitable for both crystalline and amorphous polymers. Some polymers can impart favorable mechanical properties on the membrane, such as stopping cell operation when they get too hot. Polymers suitable for use as membrane materials can include polyolefin-based materials with semi-crystalline structures. Polyolefin materials with a semi-crystalline structure may include, but are not limited to, polyethylene, polypropylene, and hybrids thereof such as polyethylene-polypropylene.

膜材料はまた、グラフトポリマーを含んでもよい。例えば、マイクロ多孔質ポリ（メチルメタクリレート）グラフト化およびシロキサングラフト化ポリエチレンが、膜材料であってもよい。これらのグラフトポリマーは、従来のポリエチレンと比較して、好都合な表面形態構造および電気化学的な性質を実証し得る。別の実施例では、ポリトリフェニルアミン（ＰＴＰＡｎ）変性材料は、電気活性であり、これは、可逆的過充電保護を提供し得る。さらなる別の実施例では、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）ナノ繊維ウェブが、伝導性および寸法安定性を改良するために、膜材料として使用されてもよい。 The membrane material may also contain a graft polymer. For example, microporous poly(methyl methacrylate) grafted and siloxane grafted polyethylene can be membrane materials. These grafted polymers can demonstrate favorable surface morphology and electrochemical properties compared to conventional polyethylene. In another example, the polytriphenylamine (PTPAn) modified material is electroactive, which can provide reversible overcharge protection. In yet another example, a polyvinylidene fluoride (PVDF) nanofiber web may be used as the membrane material to improve conductivity and dimensional stability.

膜を形成する方法はまた、溶液ベースの処理および水性乳剤重合を含んでもよい。溶液ベースの処理では、典型的な有機溶剤は、限定ではないが、ジメチルホルムアミドおよびブタノンを含んでもよい。水性乳剤重合では、フルオロ界面活性剤ペルフルオロノナン酸が、モノマーを可溶性にすることによって、加工助剤として負イオンの形態で使用されてもよい。本プロセスは、ＰＶＤＦを活性材料の表面上に同時に堆積させ、ＰＶＤＦを重合するために使用され、膜を形成することができる。 Methods of forming membranes may also include solution-based processing and aqueous emulsion polymerization. For solution-based processing, typical organic solvents may include, but are not limited to, dimethylformamide and butanone. In aqueous emulsion polymerization, the fluorosurfactant perfluorononanoic acid may be used in the negative ion form as a processing aid by solubilizing the monomers. This process can be used to simultaneously deposit PVDF on the surface of the active material and polymerize the PVDF to form a film.

ＰＶＤＦ膜はまた、微粉の形態であり得る活性材料を機械的に安定化するために使用されてもよい。Ｎ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）中の質量１～２％ＰＶＤＦの溶液は、金属発泡体電流コレクタを含侵させるために使用され得るスラリを形成するために、活性材料粉末と混合されてもよく、またカーボンブラック、炭素ナノ繊維、または金属粉末等の導電性添加剤と混合されてもよい。ＮＭＰは、次いで、蒸発され、複合電極を形成し得る。ＰＶＤＦは、使用される電極電位の範囲を上回って化学的に不活性であり、共通の電解質と化学的に反応しないため、使用されてもよい。 PVDF membranes may also be used to mechanically stabilize the active material, which may be in finely divided form. A solution of 1-2% by weight PVDF in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is mixed with the active material powder to form a slurry that can be used to impregnate a metal foam current collector. may also be mixed with conductive additives such as carbon black, carbon nanofibers, or metal powders. NMP can then be evaporated to form a composite electrode. PVDF may be used because it is chemically inert over the range of electrode potentials used and does not chemically react with common electrolytes.

ＰＶＤＦはまた、化学的改質に対する高い抵抗を伴う熱可塑性材料であるため、使用されてもよい。これは、強酸、弱酸、イオン食塩水、ハロゲン化合物、炭化水素、芳香族溶剤、脂肪族溶剤、酸化剤、および弱塩基と相溶性がある。しかしながら、それは、強塩基、エステル、およびケトンと化学的感受性を呈する。 PVDF may also be used as it is a thermoplastic material with high resistance to chemical modification. It is compatible with strong acids, weak acids, ionic saline solutions, halogen compounds, hydrocarbons, aromatic solvents, aliphatic solvents, oxidizing agents, and weak bases. However, it exhibits chemical sensitivity with strong bases, esters, and ketones.

Ｖｉｔｏｎ、フルオロエラストマー等の合成ゴムもまた、膜材料であってもよい。合成ゴムは弾性であり、大きな体積の膨張を呈する活性材料のための膜として使用されてもよい。Ｖｉｔｏｎフルオロエラストマーは、ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）およびビニリデンフルオライド（ＶＤＦまたはＶＦ２）のコポリマー、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）、ビニリデンフルオライド（ＶＤＦ）、およびヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）のターポリマー、ならびにペルフルオロメチルビニルエーテル（ＰＭＶＥ）含有コポリマーから成る族である。最も一般的なグレードのフッ素含有量は、６６～７０％の間で変動する。 Synthetic rubbers such as Viton, fluoroelastomers, etc. may also be membrane materials. Synthetic rubber is elastic and may be used as a membrane for active materials that exhibit large volume expansions. Viton fluoroelastomers are copolymers of hexafluoropropylene (HFP) and vinylidene fluoride (VDF or VF2), terpolymers of tetrafluoroethylene (TFE), vinylidene fluoride (VDF), and hexafluoropropylene (HFP), and perfluoro A family of methyl vinyl ether (PMVE) containing copolymers. The fluorine content of the most common grades varies between 66-70%.

Ｖｉｔｏｎは、概して、濃縮無機酸および塩基と相溶性がある。それは、ほとんどの炭化水素に対する耐性がある。それは、アセトン、メチルエチルケトン、および酢酸エチルに可溶であるため、それらの溶剤はそれぞれ、Ｖｉｔｏｎを活性材料上に堆積するために使用され、以前に説明されたような湿式法を使用して膜を形成し得る。 Viton is generally compatible with concentrated inorganic acids and bases. It is resistant to most hydrocarbons. Since it is soluble in acetone, methyl ethyl ketone, and ethyl acetate, each of those solvents was used to deposit Viton onto the active material, forming a film using a wet method as previously described. can form.

フルオロビニルメチルシロキサンゴム（ＦＶＭＱ）は、ＫＯＨ電解質を使用するＮｉＭＨセルのための膜材料として使用されてもよい。ＦＶＭＱは、概して、強アルカリ性溶液に対する耐性が非常に高い。ＦＶＭＱは、ケトンに可溶であるため、ケトンは、ＦＶＭＱを活性材料上に堆積するための溶剤として使用され、以前に説明されたような湿式法を使用して膜を形成し得る。 Fluorovinylmethylsiloxane rubber (FVMQ) may be used as a membrane material for NiMH cells that use KOH electrolytes. FVMQ is generally very resistant to strong alkaline solutions. Since FVMQ is soluble in ketones, ketones can be used as solvents to deposit FVMQ onto active materials to form films using wet methods as previously described.

（貫通可能膜を伴う電極の設計）
膜は、自己支持型であり、充電および放電の繰り返されるサイクルの下、電極から取り外される可能性が低くあり得る。例えば、金属電流コレクタが、金属発泡体である場合、活性材料は、発泡体の各ウェブを囲繞し得る。次いで、膜もまた、発泡体の各ウェブを囲繞し、閉ループを形成し得る。閉ループは、金属電流コレクタからの膜の取外を阻止し得る。 (Electrode design with penetrable membrane)
The membrane may be self-supporting and less likely to detach from the electrode under repeated cycles of charging and discharging. For example, if the metal current collector is a metal foam, the active material may surround each web of foam. A membrane may then also surround each web of foam to form a closed loop. A closed loop can prevent removal of the membrane from the metal current collector.

織金網電極はまた、充電および放電の多くのサイクルを通して機械的完全性を留保する膜のコーティングに適している。 Woven wire mesh electrodes are also suitable for coating membranes that retain their mechanical integrity through many cycles of charging and discharging.

図２Ａは、織金網電極のワイヤ２００の断面図である。金属電流コレクタ２１０は、ワイヤ２００のコアを形成し、活性材料２２０は、金属電流コレクタ２１０を囲繞する。膜２３０は、活性材料２２０を囲繞し、膜２３０の取外を阻止する閉ループを形成する。 FIG. 2A is a cross-sectional view of a wire 200 of a woven wire mesh electrode. Metal current collector 210 forms the core of wire 200 and active material 220 surrounds metal current collector 210 . Membrane 230 forms a closed loop that surrounds active material 220 and prevents removal of membrane 230 .

図２Ｂは、充電または放電から結果として生じる付加的な活性材料が堆積した後の織金網電極のワイヤ２００の断面図である。金属電流コレクタ２１０を囲繞する活性材料２２０の量は、図２Ａ内のものよりも多く、膜２３０は、活性材料２２０の膨張を収容するために伸展している。膜２３０の伸展部は、活性材料２２０を金属電流コレクタ２１０上に定位置で保つ。 FIG. 2B is a cross-sectional view of the woven wire mesh electrode wire 200 after deposition of additional active material resulting from charging or discharging. The amount of active material 220 surrounding metal current collector 210 is greater than in FIG. 2A, and membrane 230 stretches to accommodate the expansion of active material 220 . The extension of membrane 230 keeps active material 220 in place on metal current collector 210 .

膨張は、例えば、リチウムイオンが、活性材料内に介在しているとき、充電プロセスの間に、リチウムイオンセルのアノード内で使用される活性材料内で起こる。膜は、そこから取り外されることなく、活性材料の体積を増加させ、電極の完全性を増加させながら膨張し得る。 Expansion occurs, for example, in the active materials used in the anode of lithium ion cells during the charging process when lithium ions are interposed within the active material. The membrane can expand without being detached from it, increasing the volume of active material and increasing the integrity of the electrode.

図２Ａおよび２Ｂは、織金網電流コレクタを含む、多孔質電極を示すが、多孔質電極は、異なる形態の電流コレクタを有してもよい。例えば、多孔質電極は、金属発泡体電流コレクタを含んでもよい。金属発泡体電流コレクタは、８０～９０％の気孔率を有してもよい。同様に、多孔質電極は、３Ｄ印刷された金属電流コレクタを含んでもよい。 Although Figures 2A and 2B show porous electrodes comprising woven wire mesh current collectors, porous electrodes may have different forms of current collectors. For example, a porous electrode may include a metal foam current collector. Metal foam current collectors may have a porosity of 80-90%. Similarly, porous electrodes may include 3D printed metal current collectors.

カソード活性材料と、アノード活性材料と、電解質との組み合わせは、作業イオンが、電子化学セルが機能することを可能にする電気化学反応に関与し得るように、公知の電子化学セル原理に基づいてもよい。例えば、アノードおよびカソードは、所与の理論電圧を生じさせ得、電解質は、所与の電圧において安定的であることが期待される電解質であり得る。 The combination of the cathode active material, the anode active material, and the electrolyte is based on known electrochemical cell principles such that the working ions can participate in the electrochemical reactions that enable the electrochemical cell to function. good too. For example, the anode and cathode can produce a given theoretical voltage and the electrolyte can be an electrolyte that is expected to be stable at the given voltage.

（実施例）
以下の実施例が、本発明の原理および具体的側面をさらに例証するように提供される。それらは、本発明の全ての側面の範疇全体を包含することを意図しておらず、そのように解釈されるべきではない。 (Example)
The following examples are provided to further illustrate the principles and specific aspects of this invention. They are not intended to be, and should not be construed as, an exhaustive category of all aspects of the invention.

（実施例１：ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）セル電極）
貫通可能膜を伴う多孔質電極は、図２Ａおよび２Ｂに図示されるように構築されてもよい。 (Example 1: Nickel metal hydride (NiMH) cell electrode)
A porous electrode with a penetrable membrane may be constructed as illustrated in FIGS. 2A and 2B.

最初に、金属電流コレクタは、１インチあたり１１０個の空孔（ＰＰＩ）の空孔密度を有するニッケル発泡体シートから作製される。ニッケル発泡体シート内の典型的な空孔サイズは、１０パーセンタイルにおける１００μｍ～９０パーセンタイルにおける５００μｍまで及び、最も一般的なサイズは、５０パーセンタイルにおける２３０μｍである。ニッケル金属は、５０μｍ～１５０μｍまでの範囲のワイヤ直径を伴う細かいランダムメッシュを形成する。 First, a metallic current collector is made from a nickel foam sheet with a pore density of 110 pores per inch (PPI). Typical pore sizes in nickel foam sheets range from 100 μm at the 10th percentile to 500 μm at the 90th percentile, with the most common size being 230 μm at the 50th percentile. Nickel metal forms a fine random mesh with wire diameters ranging from 50 μm to 150 μm.

金属電流コレクタは、次いで、電解質が通過することを可能にするために容認可能な開かれた体積を維持しながらも、電極の所与の体積における活性材料の体積を最大限にするために、２２μｍ～７４μｍの厚さに活性材料で均一にコーティングされる。 The metal current collector is then: The active material is uniformly coated to a thickness of 22 μm to 74 μm.

次いで、活性材料が、固形鋳物材料を粉末に粉砕することによって作製される。結果として生じる粉末は、ある範囲の粒子サイズを有する。粉末は、次いで、徐々により目の細かい篩のカスケードを通して通過し、粉末をサイズ間隔に分類する。粉末は、粉末を収集する篩のメッシュサイズに従って分類される。例えば、４００本のワイヤ／インチのメッシュ（すなわち、４００メッシュ）を伴う篩によって収集される粉末は、「＋４００」として分類される。「－４００＋６００」と等級化される粉末は、２２μｍ～３８μｍの粒子サイズ範囲を有する一方、「－２００＋４００」と等級化されるより粗い粉末は、３８μｍ～７４μｍの範囲を有する。本実施例では、－４００＋６００および－２００＋４００の両方が、使用されてもよい。所与のサイズ範囲を使用することは、金属発泡体上に堆積される、活性材料の固定され、かつ予測可能である、最終的な厚さを結果としてもたらし得る。 The active material is then made by grinding the solid casting material into powder. The resulting powder has a range of particle sizes. The powder is then passed through a cascade of progressively finer sieves to sort the powder into size intervals. The powder is sorted according to the mesh size of the sieve that collects the powder. For example, a powder collected by a sieve with a mesh of 400 wires/inch (ie, 400 mesh) would be classified as "+400." Powders graded “−400+600” have a particle size range of 22 μm to 38 μm, while coarser powders graded “−200+400” have a range of 38 μm to 74 μm. In this example, both -400+600 and -200+400 may be used. Using a given size range may result in a fixed and predictable final thickness of active material deposited on the metal foam.

粉末は、次いで、重量比２％～２０％ＰＶＡ／水の割合で蒸留された水の中で、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）の溶液と混合される。ＰＶＡは、磁性攪拌ロッドを用いて混合物を持続的に攪拌しながら、ＰＶＡを９０℃の水に添加することによって溶解され、次いで、１時間にわたって、ＰＶＡが溶液内で溶解することを可能にする。活性材料を金属電流コレクタ上に堆積させるために、金属電流コレクタは、混合物内に降下され、ゆっくりと引き抜かれた後、空気乾燥が続く。０．００５～５μｍの範囲内の非常に細かい粒子サイズの黒鉛粉末および／または純ニッケル粉末が、活性材料とニッケル発泡体との間の良好な電気接触を支援するために、ＰＶＡ／水溶液に添加されてもよい。 The powder is then mixed with a solution of polyvinyl alcohol (PVA) in distilled water at a weight ratio of 2% to 20% PVA/water. The PVA is dissolved by adding the PVA to water at 90° C. while continuously stirring the mixture using a magnetic stirring rod, then allowing the PVA to dissolve in the solution for 1 hour. . To deposit the active material onto the metal current collector, the metal current collector is lowered into the mixture and slowly withdrawn, followed by air drying. Graphite powder and/or pure nickel powder with very fine particle size in the range of 0.005-5 μm is added to the PVA/water solution to assist good electrical contact between the active material and the nickel foam. may be

金属電流コレクタが活性材料でコーティングされた後、活性材料は、膜でコーティングされる。未硬化または部分的に硬化されたエチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）ゴムの溶液は、蒸発したＰＥＲＣを回収するために取り付けられた凝縮装置を用いて、密閉されたフラスコ内で、１～２時間にわたって、６０℃まで加熱しながら、ペルクロロエチレン（ＰＥＲＣ）中で溶解される。溶液は、重量比１～１０％のＥＰＤＭ／ＰＥＲＣであり、これは、最終的な膜の厚さを制御するように調節され得る。ＥＰＤＭゴムは、非重合の形態で取得され、好適な加硫剤または硬化剤と混合されてもよい。 After the metal current collector is coated with the active material, the active material is coated with a film. A solution of uncured or partially cured ethylene propylene diene monomer (EPDM) rubber was dried in a sealed flask for 1-2 hours with a condenser attached to recover the evaporated PERC. , is dissolved in perchlorethylene (PERC) while heating to 60°C. The solution is 1-10% EPDM/PERC by weight, which can be adjusted to control the final film thickness. The EPDM rubber may be obtained in unpolymerized form and mixed with suitable vulcanizing or curing agents.

電極は、ゴムを硬化させるために、１～５時間にわたって、１５０～２００℃の温度で強制空気対流オーブン内に設置される前に、ＥＰＤＭ溶液に浸され、空気乾燥される。ゴム溶液の濃度に応じて、電解質溶液内の活性イオンが通過することを可能にしながら機械的に安定的である０．０５μｍ～５μｍの間の膜厚が、形成されてもよい。ＥＰＤＭゴムは、ＮｉＭＨ電解質内で典型的に使用される高アルカリ性水溶液によって影響を受けることはない。 The electrodes are soaked in the EPDM solution and air dried before being placed in a forced air convection oven at a temperature of 150-200° C. for 1-5 hours to cure the rubber. Depending on the concentration of the rubber solution, a film thickness between 0.05 μm and 5 μm may be formed that is mechanically stable while still allowing active ions in the electrolyte solution to pass through. EPDM rubber is unaffected by the highly alkaline aqueous solutions typically used in NiMH electrolytes.

（実施例２：貫通可能膜の測定）
膜の品質は、コーティングされていないニッケル発泡体の対電極を用いて、１ＮのＫＯＨ水溶液中に２．５ｃｍ×５ｃｍのサイズのサンプル電極を浸漬することによって検査されてもよい。活性材料を伴う電極の複素インピーダンスを測定するために、多周波数ＬＣＲメータを用いて両方の電極に接触がなされる。一実施例では、６．２５ｃｍ２の活性電極面積に対して、１００μＦの範囲内の低Ｑ容量性インピーダンスが測定される。本容量は、１００Ｈｚ～１０ＫＨｚの周波数範囲にわたって比較的一定であり、ゴム膜が、等価電子回路の支配的構成要素であることを証明する一方、測定された並列抵抗インピーダンスは、溶液中のイオンが膜を容易に横断することができることを示す。 (Example 2: Measurement of penetrable membrane)
Membrane quality may be tested by immersing a sample electrode of size 2.5 cm x 5 cm in 1 N KOH aqueous solution with an uncoated nickel foam counter electrode. Contacts are made to both electrodes using a multi-frequency LCR meter to measure the complex impedance of the electrodes with the active material. In one example, a low Q capacitive impedance in the range of 100 μF is measured for an active electrode area of 6.25 cm 2 . This capacitance is relatively constant over the frequency range of 100 Hz to 10 KHz, demonstrating that the rubber membrane is the dominant component of the equivalent electronic circuit, while the measured parallel resistive impedance It shows that the membrane can be easily traversed.

本明細書に与えられる詳細は、ＮｉＭＨタイプのセルの設計および構築に関連するが、異なる化学現象に本発明を適合させるために、材料および方法の変形例が、請求された発明から逸脱することなく使用されてもよい。 Although the details given herein relate to the design and construction of NiMH-type cells, variations in materials and methods may depart from the claimed invention in order to adapt the invention to different chemistries. may be used without

上記に開示される主題は、制限的ではなく、例証的と見なされるものであり、添付の請求項は、本開示の真の精神および範囲内に該当する、全てのそのような修正、向上、ならびに他の実施形態を網羅することを意図している。したがって、法によって可能にされる最大の程度に、本開示の範囲は、以下の請求項およびそれらの均等物の最も広義の許容解釈によって判定されるものであり、前述の詳細な説明によって制限または限定されないものとする。 The subject matter disclosed above is to be considered illustrative rather than restrictive, and the appended claims claim all such modifications, improvements, is intended to cover other embodiments as well. Accordingly, to the fullest extent permitted by law, the scope of the disclosure is to be determined by the broadest allowable interpretation of the following claims and their equivalents, limited or not by the preceding detailed description. shall not be limited.

Claims (36)

電極であって、
高気孔率金属電流コレクタと、
前記金属電流コレクタをコーティングする活性材料と、
前記活性材料をコーティングする自己支持型合成膜と
を備える、電極。 an electrode,
a high porosity metal current collector;
an active material coating the metal current collector;
and a self-supporting synthetic membrane coating said active material. 前記金属電流コレクタは、金属発泡体を備える、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the metal current collector comprises metal foam. 前記金属電流コレクタは、織金網を備える、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the metal current collector comprises a woven wire mesh. 前記合成膜は、前記活性材料を完全にコーティングする、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the synthetic membrane completely coats the active material. 前記合成膜は、ポリマー樹脂を含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein said synthetic membrane comprises a polymeric resin. 前記ポリマー樹脂は、半結晶性ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）、およびその組み合わせから成る群から選択される、請求項５に記載の電極。 6. The electrode of claim 5, wherein said polymer resin is selected from the group consisting of semi-crystalline polyolefins, polyoxymethylene, isotactic poly(4-methyl-1-pentene), and combinations thereof. 前記合成膜は、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびその組み合わせから成る群から選択される、ポリマーを含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the synthetic membrane comprises a polymer selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, and combinations thereof. 前記合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein said synthetic membrane comprises an ethylene propylene diene monomer rubber. 前記合成膜は、グラフトポリマーを含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the synthetic membrane comprises a graft polymer. 前記合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the synthetic membrane comprises polyvinylidene fluoride. 前記合成膜は、フッ素重合体エラストマを含む、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein said synthetic membrane comprises a fluoropolymer elastomer. 前記高気孔率金属電流コレクタは、８０％～９０％の気孔率を有する、請求項１に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein said high porosity metal current collector has a porosity of 80% to 90%. カソードであって、
高気孔率金属電流コレクタと、
前記金属電流コレクタをコーティングするカソード活性材料と、
前記カソード活性材料をコーティングする自己支持型合成膜と
を備える、カソード。 a cathode,
a high porosity metal current collector;
a cathodically active material coating the metal current collector;
a self-supporting synthetic membrane coating said cathode active material. 前記金属電流コレクタは、金属発泡体を備える、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of Claim 13, wherein the metal current collector comprises metal foam. 前記金属電流コレクタは、織金網を備える、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of Claim 13, wherein the metallic current collector comprises a woven wire mesh. 前記合成膜は、前記カソード活性材料を完全にコーティングする、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane completely coats said cathode active material. 前記合成膜は、ポリマー樹脂を含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane comprises a polymeric resin. 前記ポリマー樹脂は、半結晶性ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）、およびその組み合わせから成る群から選択される、請求項１７に記載のカソード。 18. The cathode of claim 17, wherein said polymeric resin is selected from the group consisting of semicrystalline polyolefins, polyoxymethylene, isotactic poly(4-methyl-1-pentene), and combinations thereof. 前記合成膜は、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびその組み合わせから成る群から選択される、ポリマーを含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of Claim 13, wherein the synthetic membrane comprises a polymer selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, and combinations thereof. 前記合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane comprises an ethylene propylene diene monomer rubber. 前記合成膜は、グラフトポリマーを含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane comprises a graft polymer. 前記合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane comprises polyvinylidene fluoride. 前記合成膜は、フッ素重合体エラストマを含む、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said synthetic membrane comprises a fluoropolymer elastomer. 前記高気孔率金属電流コレクタは、８０％～９０％の気孔率を有する、請求項１３に記載のカソード。 14. The cathode of claim 13, wherein said high porosity metal current collector has a porosity of 80% to 90%. アノードであって、
高気孔率金属電流コレクタと、
前記金属電流コレクタをコーティングするアノード活性材料と、
前記アノード活性材料をコーティングする自己支持型合成膜と
を備える、アノード。 an anode,
a high porosity metal current collector;
an anode active material coating the metal current collector;
and a self-supporting synthetic membrane coating said anode active material. 前記金属電流コレクタは、金属発泡体を備える、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said metal current collector comprises metal foam. 前記金属電流コレクタは、織金網を備える、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said metal current collector comprises a woven wire mesh. 前記合成膜は、前記アノード活性材料を完全にコーティングする、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane completely coats said anode active material. 前記合成膜は、ポリマー樹脂を含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises a polymeric resin. 前記ポリマー樹脂は、半結晶性ポリオレフィン、ポリオキシメチレン、アイソタクチックポリ（４－メチル－１－ペンテン）、およびその組み合わせから成る群から選択される、請求項２９に記載のアノード。 30. The anode of claim 29, wherein said polymeric resin is selected from the group consisting of semi-crystalline polyolefins, polyoxymethylene, isotactic poly(4-methyl-1-pentene), and combinations thereof. 前記合成膜は、ポリエチレン、ポリプロピレン、およびその組み合わせから成る群から選択される、ポリマーを含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises a polymer selected from the group consisting of polyethylene, polypropylene, and combinations thereof. 前記合成膜は、エチレンプロピレンジエンモノマーゴムを含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises ethylene propylene diene monomer rubber. 前記合成膜は、グラフトポリマーを含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises a graft polymer. 前記合成膜は、ポリビニリデンフルオライドを含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises polyvinylidene fluoride. 前記合成膜は、フッ素重合体エラストマを含む、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said synthetic membrane comprises a fluoropolymer elastomer. 前記高気孔率金属電流コレクタは、８０％～９０％の気孔率を有する、請求項２５に記載のアノード。 26. The anode of claim 25, wherein said high porosity metal current collector has a porosity of 80% to 90%.
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